5kV重復頻率高壓脈沖電源設計

系統工作過程如下：由控制系統控制可調直流高壓電源給儲能電容器充電，當充電電壓達到設定值后，再控制IGBT按照設定的頻率和脈沖寬度導通，產生脈沖電壓加在高壓脈沖變壓器原邊，最后由高壓脈沖變壓器升壓，產生所需的高壓脈沖加在負載上。

2 高壓脈沖變壓器設計
依據指標要求，高壓脈沖變壓器的主要參數如下：變比設計為1：4；次級電壓為5 kV；初級電壓為1．25 kV；最大脈沖寬度為20μs；頻率最大為200 Hz。脈沖變壓器的伏一秒數為λ。

式中，N為匝數；U為電壓；T為時間(脈沖寬度)；△B=Br+Bs(Br為剩余磁感應強度，Bs為飽和磁感應強度)；A為磁芯截面積；S為磁芯填充系數。
將U=1．25 kV；T=20μs代人式(2)，磁芯材料為非晶，△B為1．6 T，A為0．005 6 m2，可求出原邊N為3，由于變比是1：4，所以次變匝數為12。由于脈沖為單極性，磁性還要考慮復位，復位電路原理圖如圖2所示。

圖2中，V1為低壓直流電源，R1為限流電阻。由V1通過R1提供一個直流電流給單匝復位線圈A。在高壓脈沖變壓器工作時，單匝線圈A上會感應較高的電壓，利用電感L1，電容C1和高壓硅堆VD1對低壓直流電源V1進行保護。

3 IGBT選取及驅動電路設計
由于脈沖變壓器的次邊最大電流為100 A，變比為l：4，所以原邊最大電流為400 A，原邊電壓為1．25 kV。IGBT的額定電流應大于400 A，額定電壓應大于1．25 kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100，額定電壓為3 300 V，額定電流為800 A。
IGBT的觸發(fā)信號要求一個脈沖寬度在2～20μs可調，脈沖幅度15 V。脈沖頻率l～200 Hz可調的方波信號，具備短路和過流保護功能。2-SD315-AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運行而設計的驅動模塊，它以專用芯片組為基礎，外加必需的其他元件組成。

4 可調直流高壓電源設計
可調直流高壓電源由可控硅調壓器、高壓變壓器、整流橋、儲能電容器等幾部分組成。工作過程如下：交流220 V供給可控硅調壓模塊，經過調壓模塊后輸出交流0～220 V，加在工頻升壓變壓器的初級，變壓器的次級輸出經過全橋整流后，通過電感給儲能電容器充電。控制調壓模塊的輸出電壓，可以使電容器上的電壓達到設定值。
當主回路輸出高壓脈沖電壓為5 kV、脈沖寬度為20μs、脈沖電流為100 A時，單脈沖的能量為10 J。考慮到輸出脈沖的平頂，選取儲能電容器時，在其工作電壓值時的儲能為5倍單脈沖能量，即50 J。工作電壓為1．25 kV，可求出電容值為64μF。
對于工頻高壓變壓器，需確定其輸出電壓和功率等主要參數。主電路最大輸出頻率為200 Hz，每次電容器要放出約10 J的能量，而對電容器的充電時間必須小于5 ms，所以可求出變壓器的平均功率為2 kW?？紤]工頻高壓變壓器輸出電壓經過全橋整流后，脈動頻率為100 Hz，小于主電路的最大輸出頻率為200 Hz，所以實際工頻高壓變壓器輸出峰值功率會大于2 kW，可以選取5 kW的變壓器。高壓變壓器輸出電壓實際選取1．5 kV(峰值)。

5 控制系統設計
控制系統原理框圖如圖3所示。通過計算機控制AO卡 (模擬量輸出)輸出0～10 V的模擬量，用來控制調壓系統中 的可控硅調壓器的輸出。儲能電容器上的電壓經過高壓采樣和AI卡(模擬量輸入)，由計算機采集。計算機控制DO卡(數字量輸出)輸出控制信號控制各類啟動開關和IGBT驅動板輸出觸發(fā)信號。各類手動面板的開關信號經過DI卡(數字量輸入)，由計算機采集。